现代城市景观园林规划建设中, 越来越多的人工河、人工湖存在着水质持续性差的问题。常见的景观水体修复方法包括物理修复方法、化学修复方法、生物修复方法和生态修复方法。这其中, 生物修复技术被认为是最科学有效和经济的水体修复技术^[1]。生物接触氧化工艺是以附着在填料上的生物膜为主, 结合活性污泥法的一种高效水处理工艺^[2]。其原理即利用填料上附着生长的菌胶团与污水接触, 菌胶团表层的细菌迅速繁殖, 很快消耗水中的有机物, 从而使水质得到改善。填料作为该工艺的核心, 其材质、结构、性能直接影响着水处理的效果。

　　 生物填料发展至今已有半个世纪的历史, 其研究方向主要集中在3个方面: (1) 挂膜方式的研究。不同的挂膜方式对挂膜周期、生物膜性状及有机物去除效果等都有很大影响。徐京等^[3]认为采用改进型闷曝排泥挂膜可实现微污染原水修复系统快速启动, 在曝气停曝比为3h∶3h, 1~15天曝气量为120L/h, 15天后曝气量为250L/h, 进水流量30mL/min的条件下挂膜成熟后, 其生物膜结构致密, 微生物相丰富, NH₃-N、COD_Mn平均去除率最终分别稳定在92%和82%;葛怀波、袁孟云等^[4]采用MBBR工艺, 通过人工接种的快速排泥法挂膜驯化效果良好, 底部的活性污泥絮体蓬松且较大, 出水澄清透明。 (2) 最佳运行工况的确定。反应器长期稳定运行时, HRT、DO、填料类型、温度等因素对处理效果的影响也很大。朱亮等^[5]以弹性填料为载体, 在DO为5.5~6.5mg/L条件下运行模拟河道反应器, 当HRT由24h减至8h时, NH₃-N、TN、COD_Mn去除率分别由75%、11.1%、26.1%, 下降至65.4%、5%、8.3%。 (3) 新型生物填料的研制。随着填料的不断发展, 人们不仅考查填料的传统特性如比表面积、粗糙度、空隙率及造价等, 并且对其生物亲和性、亲水性、氧传递能力提出了更高的要求。新型填料的研制主要采用表面改性和共混改性的方法, 使其能更好地应用于工程实际中。程江等^[6]将亲水性、生物亲和物质连同磁粉、活性炭加入到普通聚丙烯填料中, 充磁后, 填料兼具亲水性、生物亲和性及磁效应, 挂膜速率、微生物附着力, 污水处理能力均有所提高。熊开生等^[7]运用正交试验得出改性PVC波纹填料最佳配比方案, 研制出的新型填料抗冲击性能大大提高, 其COD降解率也显著增大。

　　 现有生物膜载体多数针对生活污水与高浓度工业废水处理系统而设计^[8], 但针对低浓度污水挂膜过程及其稳定运行阶段处理效果的研究较少。本试验采用自行设计的生物接触氧化反应器, 考察生物绳填料、组合填料及弹性填料在挂膜及长期稳定运行阶段对污染物的去除效果, 以期为实现高效经济的水体强化净化机制提供依据。

　　 试验装置为有机玻璃制成, 池长0.8 m、宽0.6m、高0.42 m, 有效水深0.38 m, 有效容积182.4L。装置由进水区、填料区、曝气区及出水区组成, 进水区设有分水器及3台蠕动泵, 填料区由2块挡板均匀隔开形成3个廊道, 并以相同的填充率在其中分别布设生物绳填料、组合填料和弹性填料。反应器采用底部曝气方式, 维持每个廊道内DO在4.5~5.5 mg/L, 出水区设置排泥孔, 经处理后的污水由溢流堰排出。试验装置流程见图1。

　　 填料的选取主要考虑其稳定性、表面积和粗糙度、安装管理的方便性。结合目前我国生物填料的应用及研究现状^[9~11], 选择生物绳填料、组合填料和弹性填料作为试验材料, 见图2。3种填料组装参数见表1。

　　 试验用水采用自配水, 所用药品为:NaAc、NH₄Cl、KH₂PO₄、CaCl₂、酵母浸膏等。进水中COD、TN、NH₃-N、TP的平均浓度分别为:55mg/L、6mg/L、3.3 mg/L、0.68 mg/L。挂膜期间所用接种底泥取自某污水处理厂曝气池, MLVSS约为5 000mg/L, 生物活性和沉降性良好。

　　 试验分装置启动和稳定运行两个阶段。第1天到第30天为启动期, 采用闷曝排泥法启动, 启动期HRT为24h, 在连续曝气的方式下, 控制池内DO在4.5~5.5mg/L, 随着装置的运行, 系统对污染物的去除效果逐渐提高, 结合相关报道与实验室前期研究成果^[4], 以COD、NH₃-N作为反应器启动阶段的监测指标。

　　 第31天到第60天为稳定运行阶段, 考察了HRT对原水中含C、N、P污染物去除率的影响。依次调节蠕动泵进水流量为2.67 L/h、4 L/h、5.33L/h, 相应的HRT为24h、16h、12h。由于间歇曝气可以节约能耗, 并且脱氮效果更好^[12], 因此采用间歇曝气的方式, 曝气/停曝时间比为6h∶6h。每个工况运行10天, 每次调节HRT时, 待系统稳定运行1~2天后再连续测试。通过对挂膜启动及稳定运行两个阶段进行综合分析, 选择出一种最优填料。

　　 各项水质指标采用《水和废水监测分析方法》 (第4版) 标准测试方法进行测定^[13], DO、温度采用YSI550A便携式溶氧仪测定, pH采用雷磁pH计测定。

　　 装置启动阶段, 进水COD平均浓度为49.37mg/L, 启动初期, 3种填料对COD的去除率均快速上升, 至第7天生物绳填料、组合填料和弹性填料对COD的平均去除率分别达到63.98%、61.84%和51.80%。由于去除有机质的菌类主要是异养菌^[14], 且填料丝上附着的异养菌生长繁殖速度较快、易受外界环境的影响^[15], 因此第7天到第14天曝气装置故障且温度骤降导致COD去除率明显下降, 其中组合填料最为明显, 弹性填料次之。随着挂膜时间的增加, 异养菌数量不断增长, 生物绳填料和组合填料对COD的去除率在第21天达到峰值, 分别为78.99%和74.36%, 弹性填料在第27天对COD去除率达到最高为69.8%。生物绳填料、组合填料及弹性填料在挂膜启动阶段对COD的平均去除率分别为60.84%、50.28%及50.03%。3种填料在低浓度污水中均可有效降低水中COD浓度, 相比而言, 弹性填料的稳定性不佳, 生物膜易脱落, 生物绳填料对COD的去除效果更高且更稳定。挂膜阶段, 3种填料对COD的去除情况见图3。

　　 装置启动阶段, 进水NH₃-N平均浓度为3.56mg/L, 生物绳填料、组合填料及弹性填料对NH₃-N的平均去除率分别为68.93%、61.4%及61.09%。该阶段反应器中平均水温为25℃, pH为7.5~8.5, DO为4.5~5.5mg/L, 为硝化细菌的生长繁殖提供了有利条件。由于硝化细菌具有世代时间较长、比增值速度较小的特点^[15], 且对生化条件敏感^[16]有强烈的好氧性, 第7天到第14天由于曝气装置故障且温度骤降, 低温和低DO抑制了硝化细菌的活性和增殖速度, 三种填料的NH₃-N去除率均陡然降低。生物绳填料的降低程度较其他两种填料略低, 主要是因为, 生物绳填料构成的立体空间可以形成多种微生物共存的理想状态, 其表面和中心可分别通过好氧微生物和厌氧微生物进行生物脱氮。随着挂膜时间的增加, 3种填料对NH₃-N的去除率逐渐上升, 在第18天达到峰值, 分别为87.3%、88.3%和83.2%。第22天后, 由于温度的逐渐降低, 去除率有所下降, 但总体趋于稳定。挂膜期间采取连续曝气的方式, 使得装置得以在好氧条件下, 通过硝化过程, 达到去除氨氮的目的。在低浓度污水中, 3种填料均可挂膜成功, 对NH₃-N的去除情况见图4。

　　 反应器稳定运行阶段采取间歇曝气的方式, 进水COD平均浓度为60.97mg/L, 当HRT由24h降至12h时, 生物绳填料、组合填料和弹性填料的63.37%降低至74.46%、65.41%和48.51%。分析认为, 水力负荷提高, 加速了生物膜表面污染物质的更新, 减少了有机物与异养菌充分接触的机会, 反应时间相应缩短^[5], 因此去除率有所下降, 弹性填料在第24天时COD去除率降低至38%。生物绳填料外层的螺旋纤维丝束使其表面附着的生物膜不易集中脱落, COD去除率较高, 耐气水冲刷能力较强。稳定运行阶段, HRT变化对COD去除效果有所下降。3种填料对COD的去除情况见图5。

　　 稳定运行阶段依次设置HRT为24h、16h和12h。当HRT由24h降至12h时, 生物绳填料、组合填料和弹性填料的NH₃-N平均去除率分别由76.05%、47.85%和55.51%降低至61.31%、39.85%和54.02%。进水NH₃-N平均质量浓度为3.35mg/L, 由于硝化细菌属于自养型微生物, 延长HRT有利于硝化细菌的繁殖和NH₃-N的彻底降解^[5]。因此提高HRT有利于NH₃-N的去除。该阶段各填料对NH₃-N的去除率由高到低分别为:生物绳填料、弹性填料和组合填料。

　　 由于在生物脱氮过程中, TN的去除包括氨化、硝化和反硝化3个阶段^[17]因此填料对TN的去除率明显低于对NH₃-N的去除率, 且TN的去除率波动较大, 整体呈先上升后下降的趋势。当HRT由24h降至16h时, 生物绳填料、组合填料和弹性填料对TN的平均去除率分别由37.1%、43.67%和33.02%升至57.28%、49.17%和51.16%。当HRT为12h时, 3种填料的TN平均去除率分别为41.92%、54.08%和26.29%。进水TN平均浓度为6.36mg/L, 分析认为, 由于采用间歇曝气, 反应器内DO呈波浪型的周期性变化, 水体处于好氧、缺氧交替变化状态, 水体中NO₃^--N含量基本不发生变化^[12]。

　　 组合填料对NH₃-N去除率较低, 硝化能力较弱, 而TN去除率较高, 说明其净化能力较弱。弹性填料的辐射状结构更有利于液相主体的污染物及DO向生物膜内传递, 使得NO₃^--N含量及NH₃-N去除率较高, 但同时不利于反硝化的进行, 因此TN去除率较低。生物绳填料中心为厌氧环境, 存在厌氧微生物, 因此能够进行硝化和反硝化作用, 使得NH₃-N、TN去除率均较高。较高的HRT更有利于NH₃-N、TN的去除。稳定运行阶段, 3种填料对NH₃-N、TN的去除情况分别见图6和图7。和14%。由于进水TP平均质量浓度较低为0.69mg/L, 因而影响TP去除率, 使TP去除率不高。由于反应器采用间隙曝气方式, 生物膜内磷素二次释放^[18], 且生物膜的自然老化脱落导致第8天和第18天的去除率均大幅度下降。分析认为, 该阶段进水COD平均质量浓度为60.97 mg/L, 低碳源环境不利于聚磷菌的繁殖与作用^[19]。并且在天然河流中生物膜除磷的条件也较难满足^[20], 因此本试验条件下TP去除以底泥吸附与填料截留为主, 通过定期对反应器底部进行排泥, 以达到TP稳定去除的效果。填料对TP的去除效果受HRT影响较小。稳定运行阶段, 3种填料对TP的去除情况见

　　 当HRT由24h降至12h时, 生物绳填料、组合填料和弹性填料的TP平均去除率分别由25.41%、18.93%和10.43%升高至30.31%、19.95%和22.56%。当HRT为16h时的TP平均去除率与24h相差不大, 分别为23.19%、15.86%图8。

　　 组合填料和弹性填料的颜色变化基本相同, 呈现出无色透明、泥黄色、淡绿色、黄绿色、褐绿色的变化过程, 生物绳填料的膜颜色更深。随着挂膜时间的推移, 膜上的菌类逐渐增加, 藻类逐渐减少, 填料表面形成菌胶团。到第三周, 膜上的生物相基本稳定, 生物膜上的优势种群有钟虫、轮虫、楯纤虫、累枝虫等, 标志着生物膜的成熟^[21]。

　　 (1) 进水COD和NH₃-N的平均浓度分别为49.37mg/L和3.56mg/L, 采用闷曝排泥的挂膜方式, 30天内反应器可启动成功, 3种填料的COD、NH₃-N去除率均稳定在68%和75%左右。

　　 (2) HRT对3种填料去除污染物有一定影响, 但不显著。当HRT为24h时, 填料对污染物的综合去除效果更好。

　　 (3) 在曝气/停曝时间比为6h∶6h、曝气量为250L/h、HRT为24h的条件下, 生物绳填料对COD、NH₃-N、TN和TP的平均去除率较高, 分别为75.87%、76.05%、37.1%和25.41%

　　 (4) 生物绳填料、组合填料和弹性填料对微污染水体均有较好的处理效果, 在实际工程运用中, 3种填料的设置形式多样, 价格便宜易得, 生物绳填料的价格为4元/m、组合填料和弹性填料则在1~2元/m, 因此可长期应用于今后的微污染水源水治理中。生物绳填料与水生植物联合应用于生态浮床或人工湿地技术, 为微污染水体处理提供了新思路。